基于MATLAB的语音信号的基音周期检测说明书

基于MATLAB的语音信号的基音周期检测洗手摘要BEEFMATLAB是一种科学计算软件，吃饭专门以矩阵的形式处理数据。洗手MATLAB将要性能的数值计算和可视化集成在一起，吃饭并提供了大量的内置函数，吃饭从而被广泛的应用于科学计算、BEEF控制系统和信息处理等领域的分析、BEEF仿真和设计工作。洗手洗手MATLAB在信号与系统中的应用主要包括符号运算和数值计算仿真分析。洗手由于信号与系统课程的许多内容都是基于公式演算，吃饭而MATLAB借助符号数学工具箱提供的符号运算功能，吃饭基本满足设计需要。洗手例如BEEF解微分方程、BEEF傅里叶正反变换、BEEF拉普拉斯正反变换和Z正反变换等。洗手MATLAB在信号与系统中的另一主要应用是数值计算与仿真分析，吃饭主要包括函数波形绘制、BEEF函数运算、BEEF冲击响应仿真分析、BEEF信号的时域分析、BEEF信号的频谱分析、BEEF系统的S域分析和零极点图绘制等内容。洗手洗手本次课程设计为语音信号的基音周期检测，吃饭采集语音信号，吃饭对语音信号进行处理，吃饭区分清音浊音，吃饭并通过对采样值进行滤波、BEEF分帧、BEEF求短时自相关函数，吃饭得到浊音的基音周期。洗手洗手关键字BEEF清音、BEEF浊音、BEEF基音周期、BEEF基音检测、BEEF自相关函数洗手洗手洗手洗手洗手洗手洗手洗手洗手目录洗手1概述1洗手2AMDF算法原理及实现1洗手21AMDF算法源程序2洗手3ACF算法原理及实现4洗手31用短时平均能量进行清/浊音的判断4洗手32自相关函数基音检测的原理6洗手33算法实现及相关程序6洗手331带通滤波7洗手332取样与分帧7洗手333短时能量分析8洗手334自相关函数分析11洗手4总结与心得体会13洗手参考文献13洗手11概述洗手基音周期检测也称为基频检测PITCHDETECTION,它的目标是找出和声带振动频率完全一致的基音周期变化轨迹曲线,或者是尽量相吻合的轨迹曲线。洗手基音周期检测在语音信号的各个处理领域中,如语音分析与合成、BEEF有调语音的辨意、BEEF低速率语音压缩编码、BEEF说话人识别等都是至关重要的,它的准确性及实时性对系统起着非常关键的作用,影响着整个系统的性能。洗手洗手浊音信号的周期称为基音周期,它是声带振动频率的倒数,基音周期的估计称为基音检测。洗手基音检测是语音处理中的一项重要技术之一,它在有调语音的辨意、BEEF低速率语音编码、BEEF说话人识别等方面起着非常关键的作用BEEF但在实现过程中,由于声门激励波形不是一个完全的周期脉冲串,而且声道的影响很难去除、BEEF基音周期的定位困难、BEEF背景噪声的强烈影响等一系列因素,基音检测面临着很大的困难。洗手而自相关基因检测算法是一种基于语音时域分析理论的较好的算法。洗手洗手本文在对AMDF、BEEFACF基音检测算法基本原理进行分析的基础上,对此算法进行了深入的探讨,针对以往研究中存在的问题加以改进,给出了一种方便、BEEF快捷的检测方案。洗手综合考虑了检测准确度和检测速率两方面的因素,然后通过对一段具体的语音信号进行处理,较准确地得到浊音语音信号的基音周期。洗手洗手2AMDF算法原理及实现洗手洗手语音信号SN的短时平均幅度差函数AMDF定义为BEEF洗手洗手其中，吃饭WM是窗函数，吃饭尺是信号的平均值，吃饭因为语音信号的浊音段具有周期性，吃饭假设基音周期为P，吃饭则在浊音段，吃饭在KP，吃饭2P，吃饭3P将出现谷点，吃饭谷点间的距离即为基音周期。洗手洗手与短时自相关函数一样，吃饭对周期性的浊音语音，吃饭也呈现与洗手浊音语音周期相一致的周期特性，吃饭不过不同的是在周期的各个洗手整数倍点上具有谷值特性而不是峰值特性，吃饭因而通过的计算同洗手样可以确定基音周期。洗手而对于清音信号，吃饭却没有这种周期特性。洗手洗手利用的这种特性，吃饭可以判定一段语音是浊音还是清音，吃饭并估计洗手出浊音语音的基音周期。洗手由于计算函数只需要加、BEEF减和取绝对值运算，吃饭洗手运算量较之短时自相关函数大大下降。洗手同时，吃饭函数在基音周期点的谷洗手值比自相关函数的峰值更加尖锐，吃饭因此错判率相对较小，吃饭稳健性更高。洗手洗手但是当语音信号的幅度快速变化时，吃饭函数的谷值深度会减小，吃饭从而影洗手2响基音估计的精度。洗手洗手21AMDF算法源程序洗手AMDF波形图如图21所示。洗手洗手YWAVREADCDOCUMENTSANDSETTINGSADMINISTRATOR桌面YEJIANGLONGWAVBEEF洗手Y1B35006000BEEF洗手N320BEEF选择的窗长，吃饭加N320的矩形窗洗手ABEEF洗手FORK1320洗手SUM0BEEF洗手FORM1N洗手SUMSUMABSY1MY1MK1BEEF计算自相关洗手END洗手AKSUMBEEF洗手END洗手SY350010000BEEF洗手FIGURE1洗手SUBPLOT211洗手PLOTS洗手XLABEL样点洗手YLABEL幅度洗手AXIS0,2500,1,1BEEF洗手SUBPLOT212洗手PLOTA洗手XLABEL延时K洗手YLABELAMDF洗手AXIS0,400,0,200BEEF洗手3洗手图21AMDF波形图洗手由图21AMDF波形图可知BEEF平均幅度差函数在基音周期处表现为谷值，吃饭这些谷值之间的间隔的平均值就是所要求得的基音周期。洗手输入语音帧的平均幅度差函数的最小值发生在第L点，吃饭其值为O，吃饭我们可以设置一定的门限，吃饭得到低于此门限的局部最低点不包含第1点。洗手从图中，吃饭洗手我们可以得到谷点的样本值分别为70、BEEF140、BEEF210，吃饭其间隔平均值为70。洗手因此对应的基音频率为BEEFFS70一1FS693700069536，吃饭这和采用自相关法的检测结果完全相同。洗手洗手3ACF算法原理及实现洗手31用短时平均能量进行清/浊音的判断洗手语音信号XN的某帧信号的短时平均能量EN的定义为洗手洗手式中,WN为窗函数BEEFN为窗长。洗手令HNW2N,则有洗手由此表明,窗口加权短时平均能量EN相当于将“语音平方”信号通过一个单位函数响应为HN的线性滤波器的输出。洗手试验统计发现,语音浊音段4的短时平均能量远远大于清音段的短时平均能量。洗手因此,短时平均能量EN的计算给出了区分清音段与浊音段的依据,即EN浊EN清。洗手根据EN由高到低的跳变可定出浊音变为清音语音的时刻,EN由低向高的跳变可定出清音变为浊音语音的时刻BEEF而只有浊音才有基音周期,清音的基音周期为零。洗手故清浊音判断是基音检测的第一步。洗手洗手该算法中窗口选择汉明窗,其定义为BEEF洗手洗手选择汉明窗的理由是窗函数的选取原则为窗函数截取后的XN尽量是中间大两头小的光滑函数,冲激响应对应的滤波器具有低通特性。洗手从汉明窗的构成及频率响应特性上看,汉明窗具有这种特性,而矩形窗及汉宁窗则稍逊之。洗手汉明窗虽然主瓣最高带宽大,但旁瓣最低通带外的衰减大,可以有效地克服泄露现象,具有更好的低通特性。洗手故选择汉明窗而不选择别的窗函数,能使短时平均能量EN更能反映语音信号的幅度变化。洗手洗手32自相关函数基音检测的原理洗手对于离散的数字语音信号序列XN,自相关函数定义如下BEEF洗手洗手式中,K为信号的延迟点数。洗手对于随机性信号序列或周期性信号序列,自相关函数定义为洗手洗手自相关函数具有以下的性质如果序列XN具有周期NP,则其自相关函数也是同周期的周期函数。洗手即BEEFXNXNNP；BEEF则BEEFRKRKNP。洗手洗手清音信号没有周期性,它的自相关函数也没有周期,RK会随着K的增大迅速衰减。洗手浊音信号具有准周期性,它的自相关函数RK具有与XM相同的周期。洗手自相关法基音检测正是利用RK的这一性质对语音信号进行基音检测的。洗手洗手33算法实现及相关程序洗手通过对自相关基音检测原理的分析,考虑到检测准确度和检测速率2方面的因素,提出了算法实现方案,并对算法进行了MATLAB编程实现。洗手算5法包含6个功能模块带通滤波、BEEF取样、BEEF分帧、BEEF短时能量分析、BEEF相关运算、BEEF基音检测。洗手框图如图31所示。洗手洗手洗手图31基因检测框图洗手331带通滤波洗手该研究以采样频率为8KHZ、BEEF精度为16比特的WAV文件作为声源,以网络录音机录制自己的一段语音。洗手因为语音信号包含非常丰富的谐波分量,基音频率最低可达80HZ,最高可达500HZ,但基音频率大多数分布在100200HZ之间。洗手因此,浊音信号可能含有三四十次谐波分量,而其基波分量往往不是最强的分量。洗手语音信号的第一共振峰通常在3001000HZ范围内,即基音的28次谐波成分比基波分量还要强。洗手为了提高检测的准确度,算法中引入了一个60500HZ带通滤波模块滤除语音帧的高次谐波分量。洗手该算法中用音效编辑软件COOLEDIT提供的功能直接滤波,方便快速,它在保持语音信息的前提下,可以大大减少谐波成分。洗手洗手332取样与分帧洗手取样模块从以采样频率为8KHZ的语音信号中截取LENGTH样点数长个样点值,一般取样点数为帧长的整数倍即可,程序中取了18000个样点数进行分析。洗手分帧模块主要完成将取样模块中获得的语音样值点分为若干个语音帧,算法中分析帧长30MS,即每帧长为240个样点。洗手然后用短时平均能量判断出浊音帧,再对浊音帧进行自相关计算,最后进行基音周期检测。洗手洗手333短时能量分析洗手原始信号及其频谱波形如图32所示。洗手洗手6洗手图32原始信号及其频谱波形洗手洗手原始信号洗手Y,FS,NBITSWAVREADCDOCUMENTSANDSETTINGSADMINISTRATOR桌面YEJIANGLONGWAVBEEF洗手把语音信号进行加载入MATLAB仿真软件平台中洗手SOUNDY,FS,NBITSBEEF回放语音信号洗手NLENGTHYBEEF求出语音信号的长度洗手YFFTY,NBEEF快速傅里叶变换洗手SUBPLOT2,1,1BEEFPLOTYBEEFTITLE原始信号波形BEEF洗手GRIDBEEF洗手SUBPLOT2,1,2BEEFPLOTABSYBEEFTITLE原始信号频谱BEEF洗手GRIDBEEF洗手洗手短时能量的函数由以下程序实现,短时能量曲线如图33所示。洗手洗手7洗手图33短时能量曲线洗手洗手经滤波后波形洗手N240洗手YWAVREADCDOCUMENTSANDSETTINGSADMINISTRATOR桌面YEJIANGLONGWAV,洗手118000BEEF洗手LLENGTHY30秒，吃饭每秒8000个点，吃饭一共240000个点洗手LLLENGTHY/N一共1000帧洗手短时能量洗手FIGURE1洗手F1ENFRAMEY,200BEEF洗手ENGSUMF12BEEF洗手PLOTENGBEEFXLABEL帧BEEFYLABEL短时平均能量BEEFTITLE短时能量洗手短时平均幅度MNSUMABSY/N洗手8FIGURE2洗手F2ENFRAMEY,200BEEF洗手ENGSUMABSF2BEEF洗手PLOTENGBEEFXLABEL帧BEEFYLABEL短时平均幅度BEEFTITLE短时平均幅度BEEF洗手短时平均幅度函数曲线如图34所示。洗手洗手图34短时平均幅度曲线洗手洗手分帧函数洗手FUNCTIONFENFRAMEX,WIN,INC洗手NXLENGTHXBEEF洗手LENWINBEEF洗手IFNARGIN3洗手INCLENBEEF洗手END洗手NFFIXNXLENINC/INCBEEF洗手FZEROSNF,LENBEEF洗手INDFINC0NF1BEEF洗手INDS1LENBEEF洗手FXINDF,ONES1,LENINDSONESNF,1,BEEF洗手FFBEEF洗手9334自相关函数分析洗手从图33可以看出EN值大的对应于浊音段,而EN值小的对应于清音段。洗手由此可以大致判断浊音变为清音或清音变为浊音的时刻。洗手浊音段的自相关函数由以下程序实现,得到波形图如图35所示。洗手洗手短时自相关函数洗手Y,FS,NWAVREADCDOCUMENTSANDSETTINGSADMINISTRATOR桌面YEJIANGLONGWAVBEEF洗手FENFRAMEY,200BEEF洗手F5F,5BEEF洗手OUT8AUTOCORRF8BEEF洗手SUBPLOT2,1,1BEEFPLOTF8BEEFXLABEL样点BEEFTITLE浊音帧波形图BEEF洗手SUBPLOT2,1,2BEEFPLOTOUT8BEEFXLABEL延时BEEFTITLE浊音帧短时自）；BEEF洗手洗手图35浊音段自相关函数洗手洗手从图35可以看出,第一个峰值的位置约出现在15的滞后点上。洗手因为浊音语音的自相关函数具有一定的周期性,在相隔一定的取样后,自相关函数达到最大值。洗手浊音语音的周期可用自相关函数中的第一个峰值的10位置来估算。洗手试验表明,滤波处理后的信号只含有第一共振峰以下的基波和谐波分量,明显改善了检测效果。洗手由此估计出这段浊音的基音频率是1000/012515533HZ或1/533S188MS左右的基音周期。洗手洗手从画出的图形中间可以看出，吃饭没有加滤波器的声音信号处理后共振峰的影响很大。洗手但是加一个60600HZ的带通滤波器，吃饭利用滤波后的信号进行基因估计，吃饭这样可除去大部分共振峰的影响，吃饭自相关函数和短时平均幅度差函数具有更尖锐地峰值，吃饭有利于判决地准确性。洗